文档介绍：IT产品的未来硅时代的后继选手：石墨烯
酸梅汤 有这样种材料,它和我们常见的材料结构不太相同。它是二维的,只有正反两面,分子结构单,全部由一种物质组成。虽然单一,但却不凡。这种材料的强度是迄今为止人类发现的最高强度材料之一,度提高芯片性能,特别是频率特性。
目前有多家科学机构在研制石墨烯晶体管的产品,其中起步比较早的是IBM。由IBM研制、采用石墨烯材料的晶体管的运行频率最高可达230GHz,远远超过目前2GHZ--3GHz的主流频率。根据IBM的研究资料,在1450℃下,IBM在2英寸的碳化硅晶圆上形成1层~2层石墨烯。然后再在晶圆上方制造晶体管所需要的其他部分,比如源电极、漏电极、绝缘层以及栅极等,最终晶体管可以以几十到几百GHz的频率运行。不过这还不是极限,加州大学洛杉矶分校也开发了运行频率高达300GHz的样品,其他一些研究机构也宣布自己将推出运行频率高达500GHz、应用了石墨烯材料的晶体管产品。
由于石墨烯高频率性能几乎无限,因此目前一些产品所展示的上百GHz的性能仅仅代表了石墨烯性能冰山的一角,还远远不是全部。很多科学家都估计,在未来石墨烯技术进一步发展后,晶体管的运行频率会进一步提升到THz以上――目前全部采用硅材料的晶体管在10GHz左右就可能遇到瓶颈,即使进一步改进也很难得到如此大的提升。显然石墨烯晶体管一开始就以上百GHz的速度展示在人们眼前,几乎称得上是历史性的跨越,而且未来还可能出现THz级别的产品。
在频率大幅度提升后,这些晶体管可以利用光互联技术来传递数据,光传输数据比传统电子传输数据的速度更快,数据量更大。由于之前―直很难找到可以匹配高频率电磁波的晶体管,因此一些光信号传递技术一直被搁置。石墨烯材料的晶体管的加入,让这些技术又看到了发展应用的前景。
不过,上述改进都基于晶体管的传输层,也就是利用石墨烯的高导电特性改进晶体管在传输电信号时的性能。是否有更直接的方法呢,能不能直接用石墨烯制造半导体呢?从材料本质来说,石墨烯并非半导体。但这也难不倒科学家们,理论上说,如果需要将一种不是半导体的物质改造为可供半导体电路直接使用的元器件,需要为电子打开一个可供跳跃的能隙。只要拥有可以跳跃的能隙后,电子就可以按照需要移动,而石墨烯就可以用于制造半导体,成为计算机计算开 关的重要组成部分。在这个领域的研究上,IBM展示了他们“双门双层”的石墨烯结构,这种结构能够开启13eV的能隙。而另一家大学实验室则利用水蒸汽开启T2eV的能隙,并且利用湿度还可以自由控制能隙的能级。上述对石墨烯结构的改进,为石墨烯直接作为半导体的应用打开了曙光之门。
当然,石墨烯在晶体管方面的应用还不止于此。一些消息表明科学家们正考虑利用石墨烯制造超高密度非易失性存储器,不过这些研究目前尚未有足够多的成果展示。就目前所知,这些存储器单个单位只有几个原子的大小,井且还可以继续缩小――只要数据引线可队做到足够细。石墨烯的这种特性可以使用在未来大容量、小体积、高速度和低能耗的存储设备上。
在电子元器件方面,石墨烯凭借良好的导电性能和极大的比表面积(比表面积表示单位质量物体具备的总面积,分外表面积、内表面积两类,每克石墨烯的比表面积高达2600平方米-2700平方米,在所有现有导电材料中首屈一指),有望在高容量电容方面获得突破性进展。可以预见的是,未来石墨烯材料应用成熟后将直接改变目前硅基芯片的格局,为信息技术发展装上一个超级推进器,极大地提升芯片的处理能力和信息传递速度。
石墨烯改变能量存储和生产
电池的容量和充电速度是―对矛盾体,大容量电池意味着较长的充电时间。实际上如果充电时间缩短到足够短,比如10分钟左右,很多由于续航时间不足而导致无法全天移动办公的情况都不再成为问题。在这一点上,石墨烯有望改变这种情况。
美国普林斯顿大学的一项研究表明,采用石墨烯电极的锂电池,充电时间会大大缩短。一些原本需要2小时才能充满的电池只需要lO分钟就可以完成充电过程。这项技术的原理和细节目前暂未公开,但其主要方法是使用超薄的石墨烯薄片来组装电池的电极,利用石墨烯强悍的电流传输能力来加快电流的传输速度。这种技术的成本不高,推广应用后将给移动设备的应用方式带来巨大改变。
改进电池的电极是一方面,另一方面是应用石墨烯巨大的比表面积。电池对比表面积非常敏感,比表面积越大,则化学反应速度和材料利用率就越高。目前电池受限于材料提高比表面积还比较困难,而这又制约了电池容量进一步上升。如果石墨烯得到了有效应用,电池容量将得到质的提升。再结合之前的快速充电技术,收益的不仅仅是目前的手机、笔记本电脑等设备,还有充电汽车、充电自行车等都将得进一步的实用化发展。
除了电池外,在太阳能